崔冬續(xù)，楊 博，陳偉鋒，韓一樂(lè)，林玉娟，丁宇奇

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

0 前言

在過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，塔設(shè)備因其具有大通量、低壓降、高效率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)裝置及單元操作中，如：分離、提純、干燥、精餾等工藝操作。此外，塔設(shè)備還是整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)效益，決定系統(tǒng)能耗和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一。因此，其無(wú)論在投資還是能耗方面，都具有舉足輕重的地位[1]。塔設(shè)備根據(jù)塔內(nèi)件是填料還是塔板分為填料塔和板式塔兩類(lèi)[2]，其基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機(jī)會(huì)，使質(zhì)、熱兩種傳遞過(guò)程能夠迅速有效地進(jìn)行；還能使接觸之后的氣、液兩相及時(shí)分開(kāi)，互不夾帶[3-5]。填料塔主要由塔的殼體、液體分布器、填料壓板、填料、液體再分布裝置及填料支撐板等幾部分組成；板式塔主要由塔的殼體、塔板、溢流堰、受液盤(pán)、降液管等幾部分組成。

如今高校教學(xué)過(guò)程中使用的實(shí)驗(yàn)用塔雖然功能齊全，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活的拆裝和移動(dòng)，所以在試驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建依靠的就是老師“詳實(shí)生動(dòng)的描述”和學(xué)生們“技藝高超的豐富想象能力[6]。本文從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，用分解和組合的方法，建立模塊化體系[7]，通過(guò)模塊的選擇與組合，構(gòu)成不同的產(chǎn)品[8]，滿(mǎn)足不同試驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)塔的快速搭建。學(xué)生可以自己動(dòng)手拆裝，實(shí)地觀摩，親身體驗(yàn)，提高教學(xué)互動(dòng)性，避免實(shí)際與理論分離；還可以根據(jù)興趣自己研制新型塔內(nèi)件，利用模塊塔進(jìn)行試驗(yàn)，以增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的興趣和對(duì)實(shí)踐問(wèn)題的探索求知欲望，因此該塔具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)背景

近20～30年來(lái)，技術(shù)人員不斷對(duì)塔器進(jìn)行研究和探索，加快了塔設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，各種各樣的高效能塔器發(fā)展迅速。但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)塔往往都是針對(duì)于某一特定過(guò)程開(kāi)發(fā)的，大多采用整體型與分塊型塔進(jìn)行試驗(yàn)。其連接方式為焊接和法蘭連接[9]，無(wú)法進(jìn)行快速拆裝及靈活性實(shí)驗(yàn)教學(xué)；學(xué)生無(wú)法發(fā)揮在試驗(yàn)過(guò)程中的主觀能動(dòng)性。本文從“樂(lè)高積木”獲得啟示，研制出一套有快拆結(jié)構(gòu)的模塊化試驗(yàn)塔，不但可以用于填料、塔盤(pán)、內(nèi)件等的性能測(cè)試，也可以針對(duì)其它試驗(yàn)需求如板式塔進(jìn)行重復(fù)搭建，提高試驗(yàn)操作彈性。

2 模塊化試驗(yàn)塔設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和高等學(xué)校教育教學(xué)改革的不斷深入，高校實(shí)踐教學(xué)得到高度重視與迅速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件配置、開(kāi)放式的模塊化結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)式的教學(xué)方法、激發(fā)式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)方面[10]。同時(shí)，機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)也不斷打破學(xué)科邊界，各學(xué)科滲透和交叉成為學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)，也是產(chǎn)生創(chuàng)新性成果的重要途徑。因此，傳統(tǒng)的單一性實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)不能滿(mǎn)足學(xué)生綜合能力和主動(dòng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要[11]。對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，除了各類(lèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外[12]，也急需一種功能豐富、操作方便、操作安全的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

目前的實(shí)驗(yàn)用塔設(shè)備，大多拆裝、移動(dòng)不便，而且只能進(jìn)行特定的試驗(yàn)項(xiàng)目，不夠靈活。如何讓塔設(shè)備在變得靈活、輕便的同時(shí)，還能保證塔設(shè)備運(yùn)作時(shí)時(shí)刻保持最優(yōu)工作狀態(tài)是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。模塊化試驗(yàn)塔可以很好地解決這些問(wèn)題。本文將試驗(yàn)用塔設(shè)備化整為零，對(duì)塔設(shè)備不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊[13]，各模塊之間既相互獨(dú)立、又相互聯(lián)系。采用快拆結(jié)構(gòu)將相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，并采用密封圈和螺紋進(jìn)行密封，這樣既可以保證塔體本身的氣密性，同時(shí)又可以適用于多種試驗(yàn)狀況。一方面可以提高塔體的工作效率和塔設(shè)備運(yùn)作時(shí)的靈活性，另一方面又提高了教學(xué)的互動(dòng)性、搭建迅速、成本低[14]、試驗(yàn)操作適應(yīng)性強(qiáng)、增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力。

2.2 技術(shù)方案

近30年來(lái)，模塊化設(shè)計(jì)在石油化工領(lǐng)域得到長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛應(yīng)用[15]。如圖1所示，該設(shè)計(jì)將石油化工中的模塊化思想運(yùn)用到試驗(yàn)塔設(shè)備中，根據(jù)功能將塔設(shè)備劃分為不同的模塊，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需求選擇不同的模塊進(jìn)行組裝，一方面可實(shí)現(xiàn)實(shí)地試驗(yàn)，另一方面模塊化試驗(yàn)塔移動(dòng)方便、安裝簡(jiǎn)單，可靠性、靈活性高。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

模塊化試驗(yàn)塔設(shè)備具有輕便、操作簡(jiǎn)便的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以巧妙地運(yùn)用塔節(jié)，合理運(yùn)用快拆技術(shù)，有效地解決塔設(shè)備運(yùn)行、安裝繁重等問(wèn)題。本文將塔設(shè)備分成封頭、基礎(chǔ)塔節(jié)、填料塔節(jié)、板式塔節(jié)、進(jìn)出料塔節(jié)等多個(gè)模塊。根據(jù)不同試驗(yàn)需求進(jìn)行組裝、搭建，使塔的直徑和高度更合理，滿(mǎn)足工藝需求及負(fù)荷變化的要求，降低試驗(yàn)成本。下面對(duì)各模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

封頭模塊：如圖2所示，與常規(guī)封頭不同，該封頭下方具有一圈凸起的外螺紋結(jié)構(gòu)，與連接件內(nèi)螺紋進(jìn)行螺紋連接。根據(jù)不同的試驗(yàn)要求選用不同大小的塔頂結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)塔節(jié)模塊：如圖3所示，基礎(chǔ)塔節(jié)兩側(cè)有突出外螺紋圈組成，與連接件進(jìn)行螺紋連接，一方面可以高效固定并壓緊密封圈，以達(dá)到理想密封效果，另一方面可以根據(jù)試驗(yàn)需要來(lái)搭建試驗(yàn)塔。

圖1 技術(shù)方案

圖2 封頭模塊

圖3 基礎(chǔ)塔節(jié)模塊

填料塔節(jié)模塊：如圖4所示，填料塔節(jié)由塔筒、填料、填料壓板、填料支撐板4部分組成，當(dāng)兩個(gè)填料塔節(jié)連接時(shí)，中間裝有液體收集再分布器，以起到控制壁流作用。

圖4 填料塔節(jié)模塊簡(jiǎn)圖

板式塔節(jié)模塊：如圖5所示，板式塔節(jié)由塔筒、塔板焊接組成，其中塔板部分包含受液板，降液管，溢流堰等部分，是一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件，無(wú)法拆分安裝，但可以根據(jù)需要制作不同類(lèi)型的塔盤(pán)筒節(jié)。

圖5 板式塔節(jié)模塊簡(jiǎn)圖

進(jìn)出料塔節(jié)模塊：進(jìn)出料塔節(jié)是在基礎(chǔ)塔節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如圖6所示，將進(jìn)料口，出料口分布在塔段上，對(duì)于不同長(zhǎng)度的塔節(jié)，通過(guò)不同的裝配方式，可實(shí)現(xiàn)在模塊化填料塔不同位置處進(jìn)行進(jìn)出料。利用不同高度的塔節(jié)與進(jìn)出料塔節(jié)相組合從而得到符合試驗(yàn)要求的塔節(jié)。

圖6 進(jìn)出料塔節(jié)模塊

連接件模塊：如圖7所示，該結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，外部表面粗糙，提高摩擦力，便于拆裝，螺紋分布在裝置內(nèi)表面與其他模塊相配合，構(gòu)建成完整的塔。

圖7 連接模塊

連接件模塊與塔節(jié)之間采用如圖8所示的雙層密封以及塔模塊自重進(jìn)行密封，保證模塊化填料塔自由拼裝后的密封效果。與法蘭密封相比，更換更為迅速簡(jiǎn)潔且能達(dá)到要求的密封效果，具有提高教學(xué)互動(dòng)性，試驗(yàn)操作適應(yīng)性強(qiáng)，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，搭建迅速成本低的優(yōu)點(diǎn)。

圖8 模塊化塔密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 搭建設(shè)計(jì)

模塊化試驗(yàn)塔在裝配方面操作彈性大，由于塔體模塊均采用機(jī)械式螺紋密封，且用于密封的螺紋均為標(biāo)準(zhǔn)螺紋，故不同模塊之間安裝位置具有互換性。如圖9所示填料塔塔節(jié)1與塔節(jié)2的連接，可根據(jù)所進(jìn)行試驗(yàn)的要求選擇不同模塊，對(duì)試驗(yàn)塔進(jìn)行搭建。

若想在圖9所示的塔體中開(kāi)一條側(cè)線(xiàn)，常規(guī)塔器只能對(duì)塔進(jìn)行重新構(gòu)造，而模塊化試驗(yàn)塔只需要在塔體中安裝一節(jié)進(jìn)出口塔節(jié)。且根據(jù)試驗(yàn)需求，進(jìn)出料口塔節(jié)可安置于塔節(jié)1的上側(cè)、塔節(jié)1與塔節(jié)2的中間、塔節(jié)2的下側(cè)。同理，這種互換性可推廣到整個(gè)試驗(yàn)塔上。因此，模塊化試驗(yàn)塔互換性強(qiáng)，自由拼裝度高，操作簡(jiǎn)單。

圖9 模塊化塔局部裝配圖

3 模塊化試驗(yàn)塔的實(shí)現(xiàn)

模塊化塔有多種搭建拆裝方式，以模塊化填料塔為例，搭建時(shí)，對(duì)填料段進(jìn)行組裝，通過(guò)對(duì)工藝的計(jì)算，選擇不同長(zhǎng)度的填料塔節(jié)，將填料支撐板安裝在塔節(jié)底部，在塔節(jié)中放入所需的填料，充裝填料后，利用填料壓板對(duì)填料進(jìn)行壓實(shí)，將液體再分布器安置在填料壓板上方。對(duì)其它塔節(jié)進(jìn)行相同操作（注：無(wú)需所有塔節(jié)均安裝液體再分布器，如：最上端的塔節(jié)、進(jìn)出口塔節(jié)下方的第一個(gè)塔節(jié)）。填料塔的整體安裝可由下向上搭建，先將裙座固定于安裝位置，裙座上安裝固定密封圈，將組成的填料段置于裙座的密封圈上，利用連接模塊將二者連接固定，塔節(jié)上方布置橡膠密封圈及墊片，將進(jìn)出口填料塔節(jié)置于其上，利用連接模塊將其固定密封，根據(jù)所需塔節(jié)數(shù)量重復(fù)上述操作過(guò)程即可，塔節(jié)安裝完成后，將封頭安裝在塔節(jié)上方，利用螺紋連接和密封環(huán)連接，保證塔頂封頭與塔節(jié)處的密封。圖10為兩個(gè)填料塔節(jié)，四個(gè)連接件與封頭、裙座及塔內(nèi)部構(gòu)件組裝成的模塊化填料塔示意圖。

搭建板式塔的過(guò)程與填料塔類(lèi)似，只需將填料塔節(jié)更換成板式塔節(jié)即可，采用兩個(gè)板式塔節(jié)，四個(gè)連接件與封頭、裙座及塔內(nèi)部構(gòu)件組裝成的模塊化板式塔如圖11所示。

目前試驗(yàn)用塔設(shè)備多采用法蘭及焊接形式進(jìn)行連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速拆裝與更換內(nèi)件，而且針對(duì)某一種塔設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)類(lèi)型單一。比如：板式塔僅能完成與其相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)定，如進(jìn)行填料塔試驗(yàn)時(shí)則需到相應(yīng)的填料塔設(shè)備進(jìn)行，即需要填料塔和板式塔兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)備才能完成相關(guān)試驗(yàn)。而本文所設(shè)計(jì)的模塊化試驗(yàn)塔在完成上述試驗(yàn)時(shí)，僅需通過(guò)更換不同功能塔節(jié)便可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型塔設(shè)備的試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)一塔多用。

圖10 模塊化填料塔裝配示意圖

圖11 模塊化板式塔裝配示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的模塊化試驗(yàn)塔打破了常規(guī)試驗(yàn)塔設(shè)備不可拆卸、無(wú)法隨意組裝移動(dòng)的局限，將塔設(shè)備根據(jù)功能劃分成不同模塊，達(dá)到在試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)不同需求進(jìn)行快速組裝塔設(shè)備的目的。此外，通過(guò)更換塔節(jié)可實(shí)現(xiàn)填料塔、板式塔兩種設(shè)備的切換，增大試驗(yàn)操作彈性的同時(shí)有助于學(xué)生對(duì)塔內(nèi)件的觀察，提高學(xué)生在試驗(yàn)過(guò)程中的參與度。本文只是對(duì)模塊化思想的初步研究和應(yīng)用，在進(jìn)一步的研究中，模塊化思想可進(jìn)行推廣，應(yīng)用到更多的試驗(yàn)裝置中，有廣闊的應(yīng)用前景。